Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng với đề tài "Thiết kế chung cư cao tầng" được thực hiện bởi sinh viên Lê Thanh Kiều dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Việt Dũng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (khóa 2011 – 2016). Dự án nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về nhà ở tại TP. Hồ Chí Minh trong bối cảnh quỹ đất đô thị ngày càng hạn hẹp. Việc xây dựng các khối chung cư cao tầng, căn hộ cao cấp là định hướng nhằm đáp ứng nhu cầu sinh hoạt đa dạng của người dân, đặc biệt là nhóm thu nhập khá, đồng thời tiết kiệm quỹ đất và nâng cao mỹ quan không gian kiến trúc đô thị. Công trình do Công ty Cổ phần Xây dựng Công trình Giao thông 135 làm chủ đầu tư.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được phân định cụ thể thành ba phần việc chính:

  1. Nhiệm vụ kiến trúc: Thể hiện lại và hoàn thiện hồ sơ bản vẽ kiến trúc công trình trên cơ sở điều chỉnh kích thước hình học phù hợp theo định hướng của cán bộ hướng dẫn.
  2. Nhiệm vụ kết cấu:
    • Lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện chịu lực chính (bản sàn, dầm, cột, vách cứng).
    • Tính toán và thiết kế sàn tầng điển hình theo phương án kết cấu sàn sườn toàn khối (sàn dầm).
    • Tính toán, thiết kế các cấu kiện phụ trợ bao gồm cầu thang bộ hai vế và hệ thống bể nước mái (bản nắp, bản thành, bản đáy, dầm nắp).
    • Xác định tải trọng ngang tác dụng lên công trình gồm tải trọng gió (thành phần tĩnh và thành phần động) và tải trọng động đất.
    • Xây dựng mô hình không gian tổng thể công trình, phân tích nội lực và thiết kế cốt thép cho khung trục B và khung trục 5, thiết kế vách cứng và cột chịu nén lệch tâm xiên.
  3. Nhiệm vụ nền móng:
    • Tổng hợp, phân tích số liệu điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn tại khu đất xây dựng.
    • Thiết kế 02 phương án móng sâu: phương án móng cọc ép và phương án móng cọc khoan nhồi cho các đài móng M1, M2, M3 và móng lõi thang.
    • So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án để lựa chọn giải pháp móng tối ưu cho công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tòa nhà chung cư cao tầng bằng bê tông cốt thép toàn khối cấp I, bậc chịu lửa bậc I, niên hạn sử dụng trên 100 năm.
  • Phạm vi không gian: Khu đất xây dựng tọa lạc tại Số 69, Đường số 18, Phường Hiệp Bình Chánh, Quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Công trình gồm 15 tầng chung cư, 01 tầng lửng, 01 tầng trệt, 01 tầng kỹ thuật sân thượng, 01 tầng hầm và 01 tầng mái; tổng chiều cao công trình tính từ cốt mặt đất tự nhiên (cốt 0.00 m tại mặt sàn tầng trệt) đến đỉnh mái là 62,1 m (sàn tầng hầm đặt ở cốt -3,00 m).
  • Phạm vi thời gian và khối lượng thực hiện: Nhiệm vụ giao ngày 14/09/2015, hoàn thành ngày 03/01/2016. Hồ sơ bàn giao bao gồm 01 tập thuyết minh tính toán, 01 tập phụ lục nội lực và 27 bản vẽ khổ A1 (trong đó có 04 bản vẽ kiến trúc và 23 bản vẽ kết cấu, nền móng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết cơ học kết cấu, cơ học đất - nền móng và các quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam để tính toán toàn diện các hạng mục:

Hệ thống tiêu chuẩn và văn bản quy phạm kỹ thuật:

  • TCVN 4451:1987: Tiêu chuẩn thiết kế nhà ở.
  • TCXD 13:1991: Tiêu chuẩn phân cấp nhà và công trình công cộng.
  • TCXDVN 323:2004: Tiêu chuẩn thiết kế nhà ở cao tầng.
  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCVN 2737:1995.
  • TCVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu động đất.
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 198:1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
  • TCXD 205:1998 và TCXD 195:1997: Tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế và thi công cọc khoan nhồi.

Phương pháp nghiên cứu và mô hình tính toán:

  • Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng cổ điển: Ứng dụng lý thuyết tính bản theo phương pháp ô bản đàn hồi (bản dầm ngàm hai đầu và bản kê 4 cạnh liên kết ngàm quanh biên theo sơ đồ 9) để tính toán nội lực sàn tầng điển hình, bản nắp và bản đáy bể nước.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình hóa không gian 3 chiều kết cấu công trình chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang. Sử dụng mô hình thanh liên kết với phần tử tấm vỏ để phân tích biến dạng, chu kỳ dao động và chuyển vị đỉnh công trình.
  • Phương pháp phân tích động lực học công trình: Xác định 12 mode dao động riêng của tòa nhà nhằm tính toán thành phần động của tải trọng gió theo TCXD 229:1999; ứng dụng phương pháp phổ phản ứng đàn hồi (Response Spectrum Analysis) theo TCVN 9386:2012 để xác định lực động đất tác động lên các tầng theo hai phương trục X và Y.
  • Phương pháp tính toán tiết diện cấu kiện bê tông cốt thép: Cột được tính toán theo mô hình nén uốn lệch tâm xiên gần đúng; vách cứng chịu lực được tính toán cốt thép dọc và cốt thép đai chịu cắt theo mô hình phần tử thanh tương đương; dầm chịu uốn thuần túy và cắt; kiểm tra độ võng và bề rộng khe nứt cho cấu kiện sàn và bản đáy bể nước.
  • Phương pháp cơ học đất nền móng: Xác định sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (Phụ lục A, TCVN 10304:2014 và TCXD 205:1998) và theo chỉ tiêu cường độ đất nền (Phụ lục B). Tính lún móng cọc theo phương pháp móng khối quy ước kết hợp lý thuyết phân bố ứng suất của nền đất nhiều lớp.

Công cụ và phần mềm tính toán:

  • ETABS v9.1: Phân tích khung không gian tổng thể chịu tải trọng đứng, tải trọng gió tĩnh, gió động và động đất.
  • SAFE v12: Phân tích nội lực dải (Strip), chuyển vị, độ võng, nứt cho hệ sàn dầm tầng điển hình, sàn đáy bể nước và đài móng cọc.
  • SAP2000: Phân tích kết cấu bản nắp, bản thành và bản đáy của bể nước mái.
  • Microsoft Excel 2010: Xử lý số liệu trích xuất từ phần mềm, lập bảng tổ hợp nội lực, tính toán diện tích cốt thép và kiểm tra các điều kiện an toàn chịu lực.

Dữ liệu địa chất công trình: Địa tầng khu đất xây dựng tại Hiệp Bình Chánh có mực nước ngầm ở độ sâu -1,2 m tính từ mặt đất tự nhiên, cấu tạo gồm 6 lớp đất chính:

Lớp đất Chiều dày / Độ sâu Tên đất và trạng thái Khối lượng thể tích $\gamma$ ($g/cm^3$) Lực dính $c$ ($kg/cm^2$) Góc ma sát trong $\varphi$ (độ) Độ ẩm $W$ (%) Độ sệt $B$
Lớp 1 1,0 m – 2,5 m Sét dẻo mềm 1,72 0,104 11°34' 42,66 0,69
Lớp 2A 2,5 m – 11,5 m Bùn sét chảy 1,49 0,072 4°00' 78,69 1,60
Lớp 2B 11,5 m – 16,5 m Bùn sét kẹp cát chảy 1,53 0,059 5°43' 63,31 1,48
Lớp 3 16,5 m – 23,0 m Sét pha dẻo cứng 1,98 0,231 17°44' 24,21 0,40
Lớp 4 23,0 m – 28,7 m Sét nửa cứng 1,95 0,404 18°07' 25,76 0,19
Lớp 5 28,7 m trở xuống Cát pha dẻo 1,99 0,095 26°25' 20,35 0,36

Thông số vật liệu sử dụng trong thiết kế:

  • Bê tông cấp độ bền B30: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 17\text{ MPa}$, cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_b = 3,25 \times 10^7\text{ kN/m}^2$, hệ số Poisson $\nu = 0,2$, trọng lượng riêng $25\text{ kN/m}^3$.
  • Cốt thép nhóm AI ($\Phi < 10\text{ mm}$): Cường độ chịu kéo tính toán $R_s = 225\text{ MPa}$, cường độ chịu nén $R_{sc} = 225\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 2,1 \times 10^5\text{ MPa}$.
  • Cốt thép nhóm AIII ($\Phi \ge 10\text{ mm}$): Cường độ chịu kéo tính toán $R_s = 365\text{ MPa}$, cường độ chịu nén $R_{sc} = 365\text{ MPa}$, cường độ chịu cắt của cốt đai $R_{sw} = 290\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 2,0 \times 10^5\text{ MPa}$.

Thiết kế và triển khai

Giải pháp kiến trúc và hệ thống kỹ thuật công trình

Công trình được bố trí trên khu đất bằng phẳng có diện tích 1.130,32 m² (tính toán quy hoạch sử dụng diện tích lô đất 1.123,5 m²; diện tích xây dựng 1.004,32 m²; diện tích khối đế chung cư 896 m²).

Hạng mục tầng Chiều cao tầng Công năng chính
Tầng hầm 3,75 m Khu để xe ô tô (319 m²), lõi thang máy, bể nước sinh hoạt, trạm bơm, trạm biến áp, máy phát điện dự phòng, trạm xử lý nước thải, bể tự hoại và gian rác.
Tầng trệt 4,00 m Sảnh đón, phòng chờ, quầy bar café, khu dịch vụ thương mại, phòng sinh hoạt cộng đồng, dịch vụ y tế và các phòng kỹ thuật.
Tầng lửng 3,00 m Dịch vụ thương mại, nhà trẻ phục vụ cư dân tòa nhà, khu vệ sinh công cộng và phòng kỹ thuật.
Tầng 2 đến 11 3,30 m / tầng 8 căn hộ/tầng. Gồm căn hộ loại A1–A4 (diện tích 120 m²) và căn hộ loại B1–B4 (diện tích 104 m²). Bố trí 2–3 phòng ngủ, 2 phòng vệ sinh.
Tầng 12 đến 13 3,30 m / tầng 8 căn hộ/tầng. Gồm căn hộ loại B1–B4 (diện tích 140 m²) và căn hộ loại C1–C4 (diện tích 84 m²).
Sân thượng & mái 3,30 m Bố trí phòng kỹ thuật thang máy, hệ thống điều hòa không khí, thiết bị viễn thông và bể nước mái bê tông cốt thép.
  • Giao thông nội bộ: Giao thông ngang là mạng lưới hành lang liên kết các căn hộ quanh lõi trung tâm. Giao thông đứng gồm 02 thang bộ thoát hiểm và 03 thang máy (02 thang chở người và 01 thang tải hàng kích thước lớn phục vụ y tế và dịch vụ).
  • Hệ thống cơ điện và kỹ thuật hạ tầng (M&E): Cấp nước từ mạng lưới đô thị qua bể ngầm tầng hầm bơm lên bể nước mái; thoát nước mưa và nước thải riêng biệt qua trạm xử lý trước khi xả ra cống thành phố; hệ thống thông gió kết hợp tự nhiên qua cửa sổ/ban công 4 mặt với hệ thống cơ khí đường ống kỹ thuật; mạng lưới PCCC tự động kết nối trung tâm thành phố, trang bị bình khí CO2 dọc hành lang, 02 buồng thang bộ điều áp và bể nước cứu hỏa trên mái.

Giải pháp kết cấu tổng thể và sơ bộ kích thước

Tòa nhà sử dụng hệ kết cấu chịu lực dạng khung – vách cứng (khung - giằng) bê tông cốt thép toàn khối. Hệ thống vách lõi thang máy đặt ở trung tâm đóng vai trò tăng cường độ cứng ngang, kết hợp với khung không gian chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang.

Kích thước sơ bộ các cấu kiện chịu lực chính:

  • Bản sàn tầng điển hình: Chọn chiều dày sàn $h_s = 140\text{ mm}$ (dựa trên công thức bản kê 4 cạnh $h_s = \frac{D}{m} \cdot L$, với $D = 0,8 - 1,4$, $m = 40 - 45$, nhịp bản tính toán).
  • Dầm chịu lực: Dầm khung chính có kích thước tiết diện $b \times h = 300 \times 550\text{ mm}$ (nhịp dầm lớn nhất $L = 7,75\text{ m}$); hệ dầm phụ có tiết diện $b \times h = 200 \times 400\text{ mm}$.
  • Tiết diện cột: Xác định theo công thức kinh nghiệm $A_0 = \frac{k_t \cdot N}{R_b}$ (theo GS.TS Nguyễn Đình Cống), chọn tiết diện cột tầng dưới là $700 \times 700\text{ mm}$ (hoặc C90x90 theo mô hình SAFE cho các chân cột chịu tải lớn).
  • Vách cứng lõi thang máy: Chọn bề dày bản vách $b_v = 200\text{ mm}$ (kí hiệu V20).

Xác định tải trọng tác dụng

  • Tĩnh tải: Bao gồm trọng lượng bản thân các lớp cấu tạo kiến trúc (gạch ceramic, vữa lót, lớp chống thấm, vữa trát trần, trần thạch cao và thiết bị kỹ thuật) cùng trọng lượng tường xây ngăn chia căn hộ được quy đổi thành tải trọng phân bố đều trên sàn. Sàn điển hình chịu tĩnh tải hoàn thiện và tường khoảng $6,0 - 7,0\text{ kN/m}^2$; sàn vệ sinh bổ sung lớp chống thấm dày chịu tĩnh tải cao hơn.
  • Hoạt tải: Tra cứu theo TCVN 2737:1995 với hệ số vượt tải $n = 1,3$ (khi hoạt tải tiêu chuẩn $< 2\text{ kN/m}^2$) và $n = 1,2$ (khi hoạt tải tiêu chuẩn $\ge 2\text{ kN/m}^2$). Căn hộ và văn phòng lấy hoạt tải tính toán $1,95\text{ kN/m}^2$; phòng vệ sinh lấy $2,4\text{ kN/m}^2$.
  • Tải trọng ngang:
    • Tải trọng gió: Do công trình cao $62,1\text{ m} > 40\text{ m}$, tải trọng gió bao gồm thành phần gió tĩnh và thành phần gió động (TCXD 229:1999). Gió tĩnh được quy về đặt tại tâm hình học của từng sàn tầng. Thành phần gió động được tính toán dựa trên chu kỳ và dạng dao động của 12 mode cơ bản (Mode 1 dịch chuyển phương X, Mode 2 dịch chuyển phương Y, xét hệ số xung vận tốc gió và hệ số tương quan không gian).
    • Tải trọng động đất: Tính toán theo TCVN 9386:2012 với đỉnh gia tốc nền tham chiếu, loại nền đất (thuộc nhóm đất yếu căn cứ vào chiều dày lớp bùn sét Lớp 2A và 2B), hệ số ứng xử kết cấu $q$, phân tích phản ứng theo phổ thiết kế đàn hồi theo phương X và phương Y.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Kiến trúc - Chương 1: Đặc điểm kiến trúc công trình

Chương này trình bày căn cứ pháp lý, sự cần thiết đầu tư dự án chung cư cao tầng tại Quận Thủ Đức, TP.HCM. Tác giả khảo cứu đặc điểm tự nhiên, khí hậu nhiệt đới gió mùa của thành phố (nhiệt độ trung bình 27°C, hai mùa mưa - khô) và tổng hợp số liệu địa tầng của 6 lớp đất tại hiện trường. Phần thiết kế kiến trúc xác lập các giải pháp tổng mặt bằng, phân chia công năng các tầng từ tầng hầm đến tầng mái, giải pháp mặt đứng, mặt cắt (mặt cắt A-A và B-B thể hiện chiều cao tầng trệt 4,0 m, tầng lửng 3,0 m, các tầng căn hộ 3,3 m), giải pháp giao thông đứng/ngang và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật (cấp thoát nước, chiếu sáng, thông gió, trạm điện dự phòng, hệ thống phòng cháy chữa cháy).

Chương này tính toán hai chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quy hoạch:

  • Mật độ xây dựng: $K_0 = \frac{S_{XD}}{S_{LD}} = \frac{1004,32}{1130,32} \approx 88,853%$.
  • Hệ số sử dụng đất: $K_1 = \frac{S_S}{S_{LD}} = \frac{14304}{1123,5} \approx 12,73$ (hoặc 18,34 khi so với diện tích sàn hữu ích). Tác giả dẫn chiếu TCXDVN 323:2004 quy định mật độ xây dựng không vượt quá 40% và hệ số sử dụng đất không quá 5 lần đối với khu đô thị mới. Việc chỉ số tại dự án vượt khung tiêu chuẩn được giải trình dựa trên cơ chế đặc thù tận dụng tối đa quỹ đất khan hiếm của khu dân cư hiện hữu theo quyết định chấp thuận đầu tư của UBND Quận Thủ Đức.

Phần II: Kết cấu - Chương 1: Hệ kết cấu chịu lực và phương pháp tính toán kết cấu

Chương 1 của phần kết cấu phân tích ưu nhược điểm các hệ kết cấu chịu lực cho nhà nhiều tầng (hệ khung, hệ vách, hệ khung - giằng), qua đó lựa chọn hệ khung - giằng bê tông cốt thép toàn khối làm hệ chịu lực chính. Tác giả phân tích 3 mô hình cơ học xác định nội lực và chuyển vị: mô hình liên tục thuần túy, mô hình rời rạc - liên tục (phương pháp siêu khối), và mô hình rời rạc (phương pháp phần tử hữu hạn). Trên cơ sở tính ưu việt của phương pháp phần tử hữu hạn, đồ án xác lập công cụ thực hiện: SAFE v12 tính sàn, ETABS v9.1 phân tích kết cấu không gian chịu tải động, và Excel 2010 tổ hợp nội lực. Chương này cũng liệt kê toàn bộ các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu, tải trọng, động đất và móng cọc được tuân thủ.

Phần II: Kết cấu - Chương 2: Thiết kế sàn tầng điển hình

Nội dung chương tập trung vào việc tính toán, thiết kế sàn sườn tầng điển hình với chiều dày chọn sơ bộ $h_s = 140\text{ mm}$, bê tông B30 và thép AI ($\Phi < 10\text{ mm}$), thép AIII ($\Phi \ge 10\text{ mm}$). Tác giả thực hiện tính toán qua hai phương pháp độc lập để đối chứng:

  1. Phương pháp tra bảng kinh điển: Các ô sàn có tỷ số cạnh dài trên cạnh ngắn $L_2 / L_1 \le 2$ được tính theo sơ đồ bản kê 4 cạnh liên kết ngàm (sơ đồ 9), xác định mômen tại nhịp $M_1, M_2$ và mômen tại gối $M_I, M_{II}$ qua bảng tra hệ số $m_{91}, m_{92}, k_{91}, k_{92}$. Các ô sàn có $L_2 / L_1 > 2$ được tính như bản dầm cắt dải rộng 1 m.
  2. Phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn bằng SAFE v12: Khai báo đặc trưng vật liệu bê tông B30 ($E_b = 3,25 \times 10^7\text{ kN/m}^2$, $\nu = 0,2$), phân chia dải Strip theo phương X và Y, gán tĩnh tải và hoạt tải với các tổ hợp tải trọng thiết kế. Kết quả tính cốt thép được so sánh giữa phương pháp tra bảng và phần mềm SAFE trên các mặt cắt dải Strip (SA3, SA6...). Tác giả kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông sàn, kiểm tra điều kiện võng và bề rộng khe nứt theo giới hạn cho phép của TCVN 5574:2012, đồng thời xác lập chi tiết chiều dài đoạn neo buộc cốt thép ($l_{an} = 250\text{ mm}$ cho thanh $\Phi 8$).

Phần II: Kết cấu - Chương 3: Thiết kế, tính toán cầu thang bộ điển hình

Chương 3 thiết kế cầu thang bộ 2 vế dạng bản nghiêng đổ toàn khối (tầng 2 đến tầng 15). Cấu tạo cầu thang gồm bản thang nghiêng đỡ các bậc xây gạch và bản chiếu nghỉ/chiếu tới. Tác giả xác định tĩnh tải bản nghiêng, tĩnh tải chiếu nghỉ, và hoạt tải sử dụng theo tiêu chuẩn. Sơ đồ tính bản thang được quy đổi về dầm đơn giản chịu tải phân bố; xác định biểu đồ mômen uốn, tính toán diện tích cốt thép chịu lực cho bản thang nghiêng và bản phẳng. Đồng thời, tác giả thiết lập sơ đồ tính toán cho dầm đỡ cầu thang (dầm D1), xác định nội lực tập trung từ bản thang truyền vào để tính toán cốt thép dọc chịu uốn và cốt đai chịu lực cắt.

Phần II: Kết cấu - Chương 4: Thiết kế, tính toán bể nước mái

Chương này thực hiện thiết kế toàn diện hệ thống bể nước sinh hoạt và cứu hỏa bằng bê tông cốt thép đặt trên tầng mái công trình. Nội dung tính toán bao gồm 4 cấu kiện chính:

  1. Bản nắp bể: Chịu tĩnh tải bản thân, lớp chống thấm và hoạt tải sửa chữa; mô hình hóa và phân tích nội lực bằng SAFE và SAP2000, tính cốt thép và kiểm tra độ võng, khe nứt.
  2. Bản thành bể: Chịu áp lực ngang của nước khi bể đầy và áp lực gió; lập sơ đồ tính tấm bản ngàm các cạnh, tính toán cốt thép chịu uốn theo phương đứng và phương ngang.
  3. Bản đáy bể: Chịu trọng lượng bản thân, tải trọng các lớp đệm và áp lực thủy tĩnh của cột nước trong bể; phân tích nội lực bằng phần mềm SAP2000 và SAFE, kiểm tra điều kiện nứt và biến dạng võng.
  4. Hệ dầm nắp và dầm đáy bể: Xác định sơ đồ chất tải, vẽ biểu đồ mômen và lực cắt, tính toán cốt thép dọc và cốt thép đai. Cuối chương, tác giả tổng hợp giá trị phản lực chân cột bể nước để đưa vào làm tải trọng tập trung tác dụng lên hệ khung mái công trình.

Phần II: Kết cấu - Chương 5: Tải trọng gió và động đất

Chương 5 tính toán chuyên sâu về tác động ngang động học lên công trình cao 62,1 m:

  • Tải trọng gió: Xác định giá trị gió tĩnh gán vào tâm hình học từng sàn tầng. Với thành phần gió động, tác giả áp dụng TCXD 229:1999, tính toán chu kỳ dao động riêng, chuyển vị các mode dao động, khối lượng tập trung từng tầng, hệ số dịch chuyển ngang tương đối và hệ số động lực $\varepsilon$. Tổng hợp tải trọng gió động theo phương X (chi phối bởi Mode 1) và phương Y (chi phối bởi Mode 2) đưa vào bảng tổng hợp tải gió toàn công trình.
  • Tải trọng động đất: Trình bày cơ sở lý thuyết động đất theo TCVN 9386:2012, phân loại nền đất dựa trên địa tầng khảo sát, xác định hệ số tầm quan trọng của công trình, đỉnh gia tốc nền thiết kế và hệ số ứng xử kết cấu $q$. Thiết lập dạng phổ phản ứng đàn hồi, áp dụng phương pháp phân tích phổ phản ứng dao động đàn hồi qua 12 mode để xác định lực cắt đáy và lực động đất phân bố lên từng tầng theo phương X và phương Y.

Phần II: Kết cấu - Chương 6: Tính khung không gian

Tác giả thiết lập mô hình không gian tổng thể kết cấu công trình bằng phần mềm ETABS v9.1. Khung không gian bao gồm hệ dầm, sàn, cột và vách lõi thang máy.

  • Khai báo tải trọng: Tĩnh tải các lớp cấu tạo (sàn điển hình, sàn thương mại, sàn sân thượng), hoạt tải phân bố đứng, tải trọng chân cột bể nước mái, tải trọng gió tĩnh, gió động và động đất theo hai phương trục X, Y.
  • Tổ hợp tải trọng: Thiết lập các trường hợp tổ hợp nội lực cơ bản và tổ hợp đặc biệt (chứa thành phần động đất).
  • Phân tích chuyển vị: Kiểm tra chuyển vị ngang tại đỉnh công trình dưới tác dụng của tải trọng gió và động đất nhằm đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn nhà cao tầng ($f_{max} \le H / 500$).
  • Thiết kế cốt thép cấu kiện khung:
    • Dầm khung trục 5 và trục B: Trích xuất biểu đồ bao mômen, tính toán diện tích cốt thép dọc cho từng nhịp và gối (dầm B28, B37, B56, B88, B138, B181, B232, B265, B271, B319, B323...), tính toán cốt đai chịu cắt.
    • Vách thang máy (vách V): Tính toán cốt thép chịu nén uốn và cốt thép ngang phân bố theo chiều cao vách từ tầng hầm lên các tầng trên.
    • Cột khung (C5, C11, C17, C23, C27, C28, C29, C30, C41, C46, C73, C83...): Phân tích trạng thái chịu nén lệch tâm xiên theo hai phương mômen uốn $M_x, M_y$ kết hợp lực dọc $N$, tính toán cốt thép dọc theo chu vi và bố trí cốt đai giằng cột.

Phần II: Kết cấu - Chương 7: Tính toán thiết kế móng

Chương này thực hiện thiết kế và so sánh 2 giải pháp nền móng sâu cho công trình xây dựng trên nền đất có lớp bùn sét yếu dày hơn 14 m:

  1. Phương án cọc ép:
    • Sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tiết diện vuông.
    • Tính toán sức chịu tải cọc theo vật liệu bê tông và cốt thép.
    • Tính toán sức chịu tải cọc đơn theo đất nền: tính toán thành phần ma sát bên $f_i$ và sức kháng mũi $q_p$ theo Phụ lục A và Phụ lục B của TCVN 10304:2014.
    • Kiểm tra điều kiện cẩu lắp và dựng cọc trong quá trình vận chuyển, thi công.
    • Bố trí đài cọc cho các cột trục chính (đài móng M1, M2, M3) và móng lõi thang; kiểm tra tải trọng tác dụng lên đầu cọc ($P_{max} \le 1,2 R_{ct}$, $P_{min} > 0$), kiểm tra chọc thủng đài cọc, tính lún móng khối quy ước và tính diện tích cốt thép đài móng theo hai phương X, Y.
  2. Phương án móng cọc khoan nhồi:
    • Lựa chọn đường kính và chiều dài cọc xuyên qua lớp bùn sét ngàm vào tầng đất chịu lực (Lớp 4 hoặc Lớp 5).
    • Tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền (Phụ lục A và B theo TCXD 205:1998) và theo độ bền vật liệu.
    • Tính toán số lượng cọc trong từng đài (M1, M2, M3 và móng lõi thang), bố trí mạng lưới cọc.
    • Kiểm tra ứng suất bản thân, ứng suất gây lún dưới đáy móng khối quy ước, kiểm tra độ lún công trình.
    • Ứng dụng mô hình SAFE v12 tính toán nội lực bản đài, kiểm tra xuyên thủng và bố trí thép đài móng.
  3. So sánh và lựa chọn phương án: Lập bảng so sánh khối lượng vật tư, tính khả thi thi công, an toàn lún và hiệu quả kinh tế giữa cọc ép và cọc khoan nhồi, từ đó kết luận lựa chọn giải pháp móng thích hợp nhất cho tòa nhà.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán cụ thể thu được từ đồ án:

  • Về kết cấu phần thân:
    • Bản sàn tầng điển hình $h_s = 140\text{ mm}$ hoàn toàn thỏa mãn khả năng chịu lực uốn và cắt. Kết quả phân tích mômen uốn trên phần mềm SAFE v12 phản ánh sự phân phối nội lực cục bộ sát với thực tế làm việc của các ô sàn có kích thước không đều so với phương pháp tra bảng giải tích. Độ võng và bề rộng khe nứt của sàn đều nhỏ hơn giá trị giới hạn quy định trong TCVN 5574:2012.
    • Chuyển vị đỉnh công trình theo hai phương phương X và phương Y dưới tổ hợp tải trọng gió động và động đất nằm trong giới hạn cho phép $H / 500$ ($62,1\text{ m} / 500 = 12,42\text{ cm}$), bảo đảm độ cứng không gian của hệ kết cấu khung - giằng kết hợp lõi thang máy.
    • Tính toán chi tiết hệ thống cốt thép dọc và đai cho các dầm khung trục B và trục 5, vách thang máy V20 và các cụm cột chịu nén lệch tâm xiên (tiết diện cột biến thiên từ $700 \times 700\text{ mm}$ ở các tầng dưới và giảm dần theo chiều cao).
  • Về kết cấu nền móng:
    • Lập bảng tính toán đầy đủ các chỉ tiêu sức kháng mũi và ma sát thành bên của cọc đơn qua 5 lớp địa tầng theo tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 và TCXD 205:1998.
    • Hoàn thành thiết kế kỹ thuật đài móng cho các đài độc lập M1, M2, M3 và cụm đài móng liên hợp dưới lõi thang máy, kiểm tra an toàn điều kiện lún tuyệt đối và lún lệch theo phương pháp móng khối quy ước.

Bảng tổng hợp đặc điểm kỹ thuật hai phương án móng cọc được tác giả thiết kế:

Tiêu chí kỹ thuật Phương án móng cọc ép Phương án móng cọc khoan nhồi
Tiết diện / Kích thước cọc Cọc bê tông cốt thép vuông đúc sẵn Cọc bê tông cốt thép tròn đổ tại chỗ đường kính lớn
Tiêu chuẩn tính toán áp dụng TCVN 10304:2014 (Phụ lục A và B) TCXD 205:1998 (Phụ lục A và B) / TCVN 10304:2014
Phạm vi kiểm tra cấu kiện Khả năng chịu lực đất nền, cẩu lắp, dựng cọc, xuyên thủng đài Sức chịu tải đất nền, vật liệu, xuyên thủng, mô hình hóa đài móng bằng SAFE
Đài móng áp dụng tính toán Các đài M1, M2, M3 và móng lõi thang Các đài M1, M2, M3 và móng lõi thang
Kiểm tra biến dạng nền Độ lún đài cọc theo móng khối quy ước Độ lún và ứng suất bản thân dưới mũi cọc móng khối quy ước

Đóng góp của đồ án:

  • Xây dựng quy trình tích hợp giữa các công cụ mô hình hóa hiện đại (ETABS, SAFE, SAP2000) và phương pháp tính toán giải tích truyền thống nhằm thiết kế một công trình chung cư cao tầng hoàn chỉnh trên nền đất yếu đặc thù của khu vực Quận Thủ Đức, TP.HCM.
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật gồm 01 tập thuyết minh tính toán chi tiết và 27 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 đúng quy cách xây dựng dân dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Tác giả tự nhận định do giới hạn về mặt thời gian và kinh nghiệm thực tế của sinh viên trong công trình đầu tay, thuyết minh và bản vẽ còn có những sai sót nhất định trong quá trình tính toán và trình bày.
  • Phạm vi thiết kế kết cấu khung không gian mới chỉ tập trung phân tích và triển khai chi tiết cốt thép cho hai khung trục chính đại diện (khung trục B theo phương dọc và khung trục 5 theo phương ngang); các khung trục còn lại chưa được xuất bảng thống kê cốt thép chi tiết trong phần thuyết minh.
  • Phần móng mới dừng lại ở việc tính toán so sánh khối lượng và sức chịu tải lý thuyết của cọc đơn và đài cọc giữa cọc ép và cọc khoan nhồi; chưa đi sâu mô phỏng bài toán tương tác phức tạp giữa đất nền - móng - kết cấu phần thân (Soil-Structure Interaction) trong mô hình 3D tổng thể.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Triển khai tính toán tự động hóa hoàn chỉnh toàn bộ các hệ khung còn lại của tòa nhà; nghiên cứu áp dụng các phần mềm chuyên sâu để kiểm tra sự làm việc phi tuyến của vách và lõi thang máy dưới tác động của động đất mức độ cực hạn.
  • Thực nghiệm hiện trường thông qua nén tĩnh cọc thử để kiểm chứng sức chịu tải tính toán lý thuyết theo các phụ lục tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 và TCXD 205:1998.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang chuẩn bị thực hiện đồ án tốt nghiệp kỹ sư hoặc đồ án môn học Kết cấu Bê tông cốt thép, Nhà cao tầng và Nền móng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu trẻ cần tài liệu mẫu tham khảo về quy trình kết nối số liệu giữa phần mềm mô hình hóa kết cấu (ETABS, SAFE, SAP2000) với các bảng tính toán cốt thép bằng Excel theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Quy trình tính toán thành phần động của tải trọng gió cho công trình cao trên 40 m theo hướng dẫn của TCXD 229:1999 (xác định chu kỳ, mode dao động, khối lượng tầng và hệ số động lực).
  • Phương pháp phân tích động đất bằng phổ phản ứng dao động theo TCVN 9386:2012.
  • Phương pháp tính toán và cấu tạo chi tiết cốt thép cột chịu nén uốn lệch tâm xiên theo phương pháp gần đúng của GS.TS Nguyễn Đình Cống.
  • Quy trình so sánh kinh tế - kỹ thuật song song hai phương án móng cọc ép và cọc khoan nhồi trên nền đất có tầng bùn sét dày.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình có quy mô số tầng và chiều cao tổng thể là bao nhiêu?

Công trình gồm 15 tầng chung cư, 01 tầng lửng, 01 tầng trệt, 01 tầng kỹ thuật sân thượng, 01 tầng hầm và 01 tầng mái. Chiều cao tổng thể của tòa nhà từ cốt mặt đất tự nhiên (cốt 0.00 m tại mặt sàn tầng trệt) đến đỉnh mái là 62,1 m; sàn tầng hầm đặt ở cao độ -3,00 m.

2. Tại sao đồ án phải tính toán thành phần động của tải trọng gió cho công trình này?

Theo quy định của Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và chỉ dẫn TCXD 229:1999, các công trình xây dựng có chiều cao tính từ mặt đất tự nhiên đến đỉnh mái lớn hơn 40 m bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió. Vì công trình chung cư cao 62,1 m ($> 40\text{ m}$) nên tác giả phải xác định thành phần gió động dựa trên phân tích chu kỳ dao động riêng của 12 mode dao động xuất từ mô hình kết cấu ETABS.

3. Điều kiện địa chất tại vị trí xây dựng công trình có đặc điểm gì nổi bật?

Khu đất xây dựng có mực nước ngầm ở độ sâu -1,2 m. Nền đất gồm 6 phân lớp, trong đó lớp 2A (bùn sét chảy dày từ 2,5 m đến 11,5 m) và lớp 2B (bùn sét kẹp cát chảy dày từ 11,5 m đến 16,5 m) là các tầng đất yếu có độ ẩm rất cao ($W = 63,31% - 78,69%$), lực dính bé ($c = 0,059 - 0,072\text{ kg/cm}^2$) và độ sệt lớn ($B = 1,48 - 1,60$), đòi hỏi công trình phải sử dụng phương án móng sâu xuyên qua tầng bùn này.

4. Hai phương pháp tính toán nào được sử dụng và so sánh khi thiết kế sàn tầng điển hình?

Tác giả đã sử dụng đồng thời phương pháp tra bảng giải tích cổ điển (áp dụng sơ đồ 9 cho bản kê bốn cạnh và sơ đồ bản dầm ngàm hai đầu) và phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAFE v12 (phân chia các dải Strip theo trục X và Y). Kết quả nội lực và diện tích cốt thép được lập bảng so sánh nhằm kiểm tra độ tin cậy và tối ưu hóa lượng thép bố trí.

5. Kết cấu chịu lực chính của tòa nhà được thiết kế theo hệ kết cấu nào?

Tòa nhà được thiết kế theo hệ kết cấu chịu lực khung - giằng (khung kết hợp vách cứng bê tông cốt thép). Hệ khung cột - dầm liên kết với lõi cứng thang máy ở trung tâm cùng hệ sàn sườn toàn khối đóng vai trò chịu tải trọng đứng và phân phối, tiếp nhận toàn bộ tải trọng ngang do gió và động đất tác động lên công trình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chung cư cao tầng" của sinh viên Lê Thanh Kiều là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho tòa nhà quy mô 15 tầng nổi và 1 tầng hầm tại Quận Thủ Đức, TP.HCM. Bằng việc kết hợp các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam với các phần mềm chuyên ngành hiện đại như ETABS, SAFE và SAP2000, đồ án đã giải quyết thành công các bài toán phức tạp từ phân tích kết cấu không gian chịu tải trọng động đến thiết kế nền móng sâu trên địa tầng bùn sét yếu. Toàn bộ kết quả tính toán được minh chứng chi tiết qua tập thuyết minh, phụ lục nội lực và hệ thống 27 bản vẽ kỹ thuật A1 đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.